Opbouw van metalen

Materialenkennis
voor de laspraktijk 5
Marcel Hermans
Opbouw van metalen
Voordat er kan worden gelast, zal er enige voorkennis moeten zijn van het te lassen basismateriaal en hoe dit tot stand is gekomen. In deze rubriek staat de materiaalkundige kant van
het vakgebied centraal. De productieroute van erts via ruwijzer naar staal is in voorgaande
afleveringen geschetst. Staal is een legering met als hoofdelementen ijzer en koolstof. Daarnaast komen tal van andere legeringelementen in staal voor. Voordat deze aan de orde
komen, gaan we eerst in op de opbouw van metalen, waarna het element ijzer wordt
beschreven.
Een metaal in vaste toestand is opgebouwd uit ato-
tenste schil dan kunnen elektronen van een ander
men, die volgens een bepaald patroon in de ruimte
atoom deze plaats tijdelijk innemen, waardoor
zijn gerangschikt. Een atoom bestaat uit een positief
gemeenschappelijke banen ontstaan. Deze veroorza-
geladen kern, waaromheen zich negatieve elektronen
ken een binding. Door deze bindingen worden de ato-
bewegen (elektronenwolk). Het atoom is elektrisch
men in een vaste stof gerangschikt in kristallen. Deze
neutraal, dus moet het aantal elektronen gelijk zijn
rangschikking gebeurt volgens een bepaald patroon,
aan het aantal protonen. De massa van het atoom is
wat het kristalrooster wordt genoemd. De vorm van
vrijwel geheel geconcentreerd in de kern (het proton
het atoom (kern en aantal elektronen) bepaalt de
is ruim 1800 keer zo zwaar als een elektron). De dia-
eigenschappen van het atoom. De vorm van het
meter van een atoomkern (10-6 nanometer) is echter
kristalrooster heeft hier ook grote invloed op.
veel kleiner dan de diameter van het atoom (0,2-0,4
De bijzondere bruikbaarheid van ijzer is een gevolg
nanometer).
van zijn gedrag ten opzichte van andere elementen.
Figuur 1 - De meest
De elektronen bewegen zich rondom de atoomkern
Niet alleen kunnen de ijzeratomen in het kristal-
voorkomende kristal-
en bevinden zich in een aantal schillen. Deze schillen
rooster gemakkelijk worden vervangen door andere
roosters bij metalen:
liggen op steeds grotere afstand van de kern. Hoe
metaalatomen, ook kunnen verschillende kleine ato-
het kubisch vlakken
meer protonen een element heeft, hoe meer elektro-
men zoals koolstof en stikstof in de holten tussen de
gecentreerde rooster
nen aanwezig zijn en hoe meer schillen zullen wor-
ijzeratomen in het kristal worden opgenomen.
(1), het kubisch ruimte-
den opgevuld. De elektronen in de buitenste schillen,
lijk gecentreerde
de valentie-elektronen, hebben het grootste contact
Kristalrooster
rooster (2) en de hexa-
met de buitenwereld en bepalen het chemische karak-
Men spreekt van een kristallijne structuur als de ato-
gonale dichtste stape-
ter van de atoomsoort. Zijn er plaatsen vrij in de bui-
men geordend gestapeld zijn en in alle richtingen een
ling (3)
Lastechniek januari 2007
7
pectievelijk 0,225D en 0,414D, waarin D de diameter
van het betreffende atoom is. In het KRG-rooster is
het type holte tetraëdrisch met ruimte voor een bolletje met een diameter van 0,154D. In figuur 2 zijn de
bollenmodellen voor KVG en KRG weergegeven. De
holten zijn in deze figuur duidelijk waarneembaar. De
ruimten spelen een essentiële rol bij het legeren van
metalen, zoals in het vervolg zal worden besproken.
1
2
Figuur 2 - Bollenmodel voor het KVG (links) en het KRG-rooster (rechts)
IJzer
Tijd om het element ijzer ter sprake te brengen. In het
ijzerrooster komen zowel KVG- als KRG-roosters voor.
Het blijkt dat afhankelijk van de temperatuur de ijze-
regelmaat vertonen. Hierbij beschouwen we de ato-
ratomen de voorkeur hebben voor één van beide
men voor het gemak als harde bollen (knikkers) die
roosters. De KRG-structuur, ook wel α-structuur of
elkaar aantrekken. De vaste stof bestaat uit een
ferriet* genoemd, is de stabiele structuur beneden
opeenstapeling van die bollen. In de rangschikking
912 °C. Tussen 912 en 1394 °C is de KVG-structuur,
van de bollen kan men patronen herkennen die
steeds herhaald worden; de eenheidscellen. De meest
voorkomende kristalroosters in metalen zijn: het
kubisch vlakken gecentreerde (KVG) rooster, het
kubisch ruimtelijk gecentreerde (KRG) rooster en de
hexagonale dichtste stapeling (HDS), zie figuur 1.
Figuur 1.1 toont schematisch de plaats van de atoomkernen in het kubisch vlakken gecentreerde rooster.
Deze afbeelding wordt de eenheidscel genoemd.
Figuur 2.1 laat zien hoe de atomen van deze eenheidscel op elkaar zijn gepakt. Deze structuur wordt
ook wel de dichtste bolstapeling genoemd. Elk atoom
in het midden van het vlak raakt elk van de omliggende hoekatomen. Figuur 1.2 toont de eenheidscel met
de atomen in het kubisch ruimtelijk gecentreerde
rooster. Figuur 2.2 laat zien dat de atomen in deze
Figuur 3 - Het toestandsdiagram van ijzer
structuur niet zo dicht op elkaar gepakt zijn als bij
8
het KVG. Bij het KRG-rooster raakt het centrumatoom
γ-structuur of austeniet*, stabiel. Boven 1394 °C tot
elk hoekatoom, maar het hoekatoom raakt de andere
het smeltpunt is het rooster weer KRG, het δ-ferriet.
hoekatomen niet aan. Hierdoor is er bij het KRG-
IJzer wordt bij atmosferische druk gasvormig bij
rooster meer ruimte tussen de atomen.
3070 °C. De invloed van de druk op de verandering is
Men moet zich realiseren dat de buitenste elektronen-
te zien in figuur 3. Het blijkt dat de druk weinig
schillen van de atomen elkaar raken. Wanneer de bin-
invloed heeft op de temperatuur waarbij vaste stof-
dingskrachten tussen de atomen voldoende groot
overgangen of fasetransformaties (a γ, γ d) plaats-
zijn, ontstaat een kristalstructuur met een dichtste
vinden. Bij lage drukken gaat de vaste stof direct over
bolstapeling waarin elk atoom het grootst mogelijk
naar de gasfase.
aantal naaste buren heeft (dit is het geval bij KVG en
De verandering in dichtheid van het ijzer als gevolg
HDS). Als de bindingskrachten kleiner zijn ontstaat
van de verandering in rooster is duidelijk waarneem-
een iets minder dichte structuur (KRG).
baar in figuur 4. De neergaande trend, die het gevolg
Uitgaande van het eenvoudige bollenmodel (voorstel-
is van thermische uitzetting waardoor de dichtheid
ling van de atoomstapeling) kan men de vulgraad van
afneemt, wordt onderbroken door de ferriet-austeniet
de verschillende roosters bepalen en ook de holten
en de austeniet-δ-ferriet overgang. Bij 770 °C, het
beschrijven die in de roosters aanwezig zijn. De aan-
Curiepunt, verdwijnt het magnetische gedrag van
wezigheid van de holten en hun grootte zijn van
ijzer. In het verleden werd dit verschijnsel aangezien
essentieel belang. Als men de grootte uitrekent, dan
voor een echte fasetransformatie en aangeduid als de
kan men in het KVG-rooster twee typen holten onder-
ß-fase. Sinds is aangetoond dat kristalstructuur niet
scheiden: de tetraëdrische en octraedrische holten. In
verandert, vindt men de verwijzing naar een ß-fase
deze holten past een bolletje met een grootte van res-
niet meer terug. IJzer met een kubisch vlakken gecen-
treerde structuur is nooit magnetisch.
De eigenschappen van het kristalrooster van ijzer zijn
niet in alle richtingen gelijk. Dit komt omdat de eigenschappen worden bepaald door onder meer de plaatsing van atomen in het rooster. Hoe verder de atomen
uit elkaar zitten, hoe minder de aantrekkingskracht
tussen de atomen is en des te makkelijker het is om
ze uit elkaar te trekken. Dit komt bijvoorbeeld tot
uiting in de elasticiteitsmodulus*, die in de kubusrichtingen 135.000 MPa, in de zijvlaksdiagonaal
212.000 MPa en in de lichaamsdiagonaal 290.000 MPa
bedraagt. De gemiddelde waarde, die ook in polykristallijn* ijzer wordt gevonden, is 210.000 MPa.
Zuiver ijzer is, net als andere zuivere metalen, een
zacht en goed vervormbaar metaal. Het heeft een
treksterkte van circa 200 MPa, een 0,2-rekgrens van
ongeveer 100 MPa en een rek van meer dan 40 procent (bij kamertemperatuur). De Brinellhardheid ligt
rond 50 HB. Deze eigenschappen veranderen al dramatisch bij kleine hoeveelheden verontreiniging
Figuur 4 - De dichtheid van ijzer als functie van de temperatuur
(onder andere stikstof, koolstof en fosfor). Ook de
korrelgrootte van het materiaal speelt een belangrijke
ten in de verschillende roosters hebben verschillende
rol. In tabel 1 wordt een overzicht gegeven van de
afmetingen. Voor het ijzer, met een atoomdiameter
fysische en mechanische eigenschappen van ijzer.
van 2,56 x 10-10 m, kan men de diameter van de hol-
De bijzondere bruikbaarheid van ijzer is een gevolg
ten berekenen (zie tabel 2).
van zijn gedrag ten opzichte van andere elementen.
In tabel 3 zijn de atoomdiameters van enkele elemen-
Niet alleen kunnen de ijzeratomen in het kristal-
ten opgenomen. Vergelijkt men de diameter van de
rooster gemakkelijk worden vervangen door andere
holten met de diameter van ‘kleine’ atomen dan blijkt
metaalatomen, ook kunnen verschillende kleine ato-
dat de atomen eigenlijk te groot zijn voor de beschik-
men zoals koolstof en stikstof in de holten tussen de
bare ruimte. Hoe groter het verschil, hoe kleiner de
ijzeratomen in het kristal worden opgenomen. De hol-
oplosbaarheid van het element in het ijzerrooster is.
Atoomgewicht
55,85
Atoomnummer
Kristalstructuur
26
beneden 912 °C
krg (α-ijzer)
912 - 1394 °C
kvg (γ-ijzer)
1394 - 1538 °C
Smeltpunt
7870 kg/m3
Soortelijke massa (20 °C)
Soortelijk warmte
Lineaire uitzettingscoëfficiënt
Elektrische soortelijke weerstand
Warmtegeleidingscoëfficiënt
Magnetische eigenschappen
krg (δ-ijzer)
1538 °C
α-ijzer (20-900 °C)
4,4-8,5 x 102 J/kg°C
γ-ijzer (900-1400 °C)
6,7-7,1 x 102 J/kg°C
α-ijzer (20 °C)
12,5 x 10-6/°C
α-ijzer (20-600 °C)
16 x 10-6/°C
γ-ijzer (900-1100 °C)
21-23,5 x 10-6/°C
20 °C
9,5 μΩ cm
900 °C
114 μΩ cm
20 °C
75 J/m s °C
800 °C
30 J/m s °C
Curiepunt
770 °C
Elasticiteitsmodulus
21.0000 MPa
Treksterkte
180-290 MPa
0,2-rekgrens
100-170 MPa
Rek
40-50%
Hardheid
45-55 HB
Tabel 1 - Fysische en mechanische eigenschappen van ijzer
Lastechniek januari 2007
9
Type holte
Diameter (Å)
Gebaseerd op de kennis van de opbouw van een
KVG
0,576
metaal, kunnen de eigenschappen worden aangepast.
KVG
1,060
KRG
0,394
Bij het legeren van ijzer worden vreemde atomen in
-10
1 Å = 10
m
Tabel 2 - Diameter van holten in KVG- en KRG-roosters
het rooster ingebracht. Deze atomen kunnen, als ze
klein genoeg zijn, in de holten van het rooster plaatsnemen (interstitiele atomen). Grotere atomen passen
Het ijzerrooster zal door de aanwezigheid van de
daar niet meer in en zullen posities innemen waar de
andere atoomsoort lokaal worden opgerekt. Dit ver-
ijzeratomen zaten (substitutionele atomen). Hierop
oorzaakt spanningen in het rooster waardoor het
zal in het vervolg van deze serie uitvoerig worden
materiaal sterker wordt.
teruggekomen, startend met het belangrijkste element in staal: koolstof. ■
Element
Atoomdiameter (Å)
H
0,64
C
1,54
N
1,50
O
1,46
Referenties
P
2,12
• G. den Ouden, B.M. Korevaar, Metaalkunde deel 1, DUM,
Fe
2,34
ISBN 90-6562-117-2, 1991.
Mn
2,34
• B.M. Korevaar, G. den Ouden, Metaalkunde deel 2, DUM,
Si
2,22
ISBN 90-407-1282-4, 1998.
Ni
2,30
• Smithells metals reference book, 7th ed., Butterwordth
Cr
2,36
Heinemann Ltd., Ed. E.A. Brandes en G.B. Brook, 1992,
Tabel 3 - Atoomdiameter van enkele elementen
* Een verklaring van dit woord is opgenomen in de
Vakjargonlijst elders in deze uitgave
ISBN 0-7506-1020-4.
#%-)'
DENIEUWEDIMENSIEIN-)'LASTOORTSEN
,ASSENKRIJGTEENNIEUWEDIMENSIEMETDE#%FORCE-)'LASTOORTSEN
$EZENIEUWELASTOORTSENHEBBENEENHOGEREKOELCAPACITEITEENUNIEK
GESLOTENSCHAKELSYSTEEMEENSOFTGRIPHANDGREEPENEENRUBBEREN
KNIKBESCHERMER$AARMEEHAALJEEENHOGEKWALITEITISHUISWAARMEE
JEDAGINDAGUITPRETTIGERWERKT
WWWTRANSLASCOM
10